PRZERÓBKA MECHANICZNA WĘGLA W procesie

PRZERÓBKA MECHANICZNA WĘGLA
W procesie wydobywczym węgla w kopalni na urobek składają się obok właściwej
substancji węglowej takŜe skały płonne ze stropu i spągu oraz występujące w pokładzie węgla
tzw. przerosty, stanowiące mieszaninę węgla i substancji mineralnej – rys. 1.
Rys. 1. Charakterystyka urobku węglowego
Węgiel wydobyty w kopalniach stanowi mieszaninę ziaren i kawałków róŜnej wielkości o
róŜnej zawartości substancji mineralnej. Węgiel taki tylko w sporadycznych przypadkach
uŜytkowany jest bezpośrednio. Zazwyczaj poddaje się go tzw. przeróbce mechanicznej, w
której węgiel w zaleŜności od jego jakości i przeznaczenia podlega następującym operacjom
uszlachetniającym:
a) sortowaniu wg wielkości ziaren i kawałków,
b) rozdrabnianiu,
c) klasyfikacji wodnej lub powietrznej, dla rozdzielenia drobnych ziaren węgla wg
wielkości,
d) wzbogacaniu, czyli rozdzielaniu minerałów wg składu, mającemu na celu zwiększenie
zawartości substancji palnej w węglu przez częściowe usunięcie z niego domieszek
substancji mineralnej,
e) suszeniu (odwadnianiu), czyli zwiększeniu zawartości substancji palnej przez częściowe
lub całkowite usunięcie balastu w postaci wilgoci,
f) odpylaniu, co wynika z potrzeb technologii procesów przeróbczych i względów BHP,
g) mieszaniu, mającemu na celu uśrednienie parametrów węgla,
h) brykietowaniu lub aglomeracji, w celu spojenia najdrobniejszych ziaren miałów
węglowych w kawałki o większych rozmiarach.
Na rysunku 2 przedstawiono przykładowe schematy blokowe operacji przeróbki
mechanicznej węgla energetycznego (a) i węgla koksowego (b).
Rys. 2. Schemat przeróbki mechanicznej węgla energetycznego (a) i koksowego (b).
SORTOWANIE
Urobek węglowy stanowi mieszaninę ziaren róŜnej wielkości. Stopień rozdrobnienia
urobku zaleŜy od wytrzymałości mechanicznej węgla oraz sposobu eksploatacji. (Dopisać
twardość składników węgla).
Rozdzielanie mieszaniny ziaren według ich wielkości nazywamy przesiewaniem
(operacja pomocnicza) lub sortowaniem (operacja główna).
Ziarno podziałowe – wymiar będący teoretycznie granicą rozdziału zbioru ziaren – w
warunkach przemysłowych zbliŜony do wymiarów oczek sita.
Skuteczność - sprawność procesu przesiewania moŜe się odnosić do produktu dolnego
czyli sprawność przesiewania lub do produktu górnego – sprawność odsiewania
Q
Q
η d = dp
η g = gn
Qd
Qg
Sprawność całkowita powinna uwzględniać zawartość nadziarna lub podziarna w produkcie.
Q
Q
Qgp Qg − Qgn
Qgn
η c = dp − gp
=
=1−
⇒ ηc = ηd + η g − 1
Qd
Qg
Qg
Qg
Qg
WZBOGACANIE WĘGLA
Wzbogacanie ma na celu częściowe lub niemal całkowite usunięcie substancji mineralnej,
która stanowi balast obniŜający efekt kaloryczny oraz wartość technologiczną paliw stałych w
procesach przeróbki chemicznej [1].
Z punktu widzenia wzbogacania w węglu występują dwa rodzaje domieszek mineralnych:
a) pochodzące z praroślin węglotwórczych oraz związki z substancją organiczną paliw w
postaci związków chemicznych - tzw. wewnętrzna substancja mineralna,
b) pochodzenia przypadkowego w postaci przerostów skał towarzyszących oraz
zanieczyszczeń urobku odłamkami skał stropowych i spągowych – tzw. zewnętrzna
substancja mineralna.
Domieszki pierwszego rodzaju występują w postaci róŜnych pierwiastków metalicznych
(Ca, Mg, Fe, Al, Na, K) wprowadzonych na miejsce wodoru w grupach funkcyjnych
złoŜonego polimeru paliw stałych. Typowymi domieszkami tego typu są sole kwasów
huminowych, Ŝywicznych i woskowych występujące w znacznych ilościach w niŜej
uwęglonych paliwach stałych. Domieszek tych nie moŜna oddzielić przez przeróbkę
mechaniczną.
Usunięcie domieszek mineralnych drugiego rodzaju jest głównym zadaniem procesu
wzbogacania. Wzbogacanie tzw. mechaniczne jest stosowane głównie dla węgli kamiennych
oraz dla twardych odmian petrograficznych węgla brunatnego.
WyróŜnia się następujące sposoby wzbogacania:
1) wzbogacanie ręczne,
2) wzbogacanie grawitacyjne na zasadzie róŜnicy cięŜaru właściwego (gęstości) i róŜnicy
prędkości opadania ziaren węgla i skały płonnej:
a) w wodzie,
b) w cieczach cięŜkich jednorodnych lub zawiesinowych (suspensyjnych),
c) w strumieniu powietrza,
3) wzbogacanie na zasadzie róŜnicy właściwości powierzchniowych węgla i skały
płonnej (flotacja),
4) wzbogacanie metodami specjalnymi.
Pionierskie badania w zakresie rozdziału kopalin na frakcje gęstościowe rozpoczęto
początkiem XX w. W roku 1905 dokonał rozdziału węgla w wodzie wykorzystując dwa
naczynia cylindryczne [2]. Wewnętrzne naczynie zaopatrzone w dno sitowe wypełniano
próbką surowego urobku, a następnie wprawiano go w oscylacyjny ruch pionowy. Opadające
układały się w warstwy według cięŜaru właściwego. Zebrane odpowiednio warstwy suszono
i oznaczano w nich zawartość popiołu. Skrępowane warunki osadzania nie dawały zbyt
dokładnych wyników, ale stanowiły podwaliny dzisiejszych metod oceny wzbogacalności.
Nazwiska twórców metod grawitacyjnych: Henry, Blanc, Charvett
Uwaga: w tekstach dotyczących wzbogacania grawitacyjnego przemiennie mogą pojawiać się
pojęcia cięŜar (cięŜar właściwy) i masa (gęstość), naleŜy zatem pamiętać o związku pomiędzy
tymi wielkościami. 1 kG to siła z jaką Ziemia przyciąga masę 1 kg z przyspieszeniem
(
grawitacyjnym g =9,81 m/s2.
Archimedes 287-212 pne Syrakuzy, Sycylia. Siła ciąŜenia i siła wyporu
(
(
Fc = m ⋅ g
Fw = ρ c ⋅ g ⋅ V
Rys. 3. Schemat rozdziału próbki węgla surowego w cieczach o róŜnej gęstości.
Charakterystyka wzbogacalności węgla na podstawie rozdziału w cieczach cięŜkich
jednorodnych
Próbka węgla wprowadzona do cieczy o określonej gęstości rozdzieli się na frakcję
lŜejszą od cieczy rozdzielającej, która wypływa na jej powierzchnię oraz frakcję cięŜszą
opadającą na dno naczynia.
Gęstość węgla o minimalnej zawartości popiołu wynosi ρ w = 1,17-1,35 g/cm3, natomiast
gęstość składników towarzyszących tj. łupków palnych, substancji mineralnej tworzącej skałę
płonną oraz pirytu wynosi ρ p = 1,8 – 5,2 g/cm3. Łatwość wzbogacania grawitacyjnego ocenia
się na podstawie analizy densymetrycznej tj. rozdziału na frakcje o róŜnej gęstości w cieczach
cięŜkich. W technice laboratoryjnej stosuje się ciecze cięŜkie jednorodne tj. roztwory soli
nieorganicznych lub ciecze organiczne. Te ostatnie są częściej i chętniej stosowane z uwagi
na lepszą zwilŜalność węgla, mimo Ŝe mogą rozpuszczać nieznaczne ilości bituminów
(Ŝywice, woski), stosunkowo łatwo parują i są dość drogie.
Ciecz cięŜką jednorodną przygotowuje się przez rozpuszczenie w wodzie określonej ilości
soli nieorganicznej, wybór cieczy organicznej lub zmieszanie w odpowiednich proporcjach
dwóch cieczy, przy czym gęstość mieszaniny jest wielkością addytywną określoną wzorem:
ρc =
ρ1 ⋅ v1 + ρ 2 ⋅ v2
, g/cm 3
(1)
v1 + v2
gdzie:
ρ1 , ρ 2 - gęstości mieszanych cieczy, g/cm3,
v1 ,v2
- objętości mieszanych cieczy, cm3.
Gęstości niektórych soli nieorganicznych oraz cieczy organicznych zestawiono w tablicy 1.
Na rysunku 3 przedstawiono schemat rozdziału próbki węgla surowego w cieczy jednorodnej
o gęstości od 1,3; 1,4; 1,5; 1,6; 1,8 g.cm3. Frakcje opadające na dno naczynia z cieczą o
gęstości mniejszej przenosi się do naczynia o gęstości wyŜszej. Frakcje wypływające oraz
frakcję tonącą w naczyniu z cieczą o najwyŜszej gęstości suszy się, oznacza jej wychód tj.:
n
m
(2)
γ n∗ = n ⋅100%
przy czym ∑ γ n∗ = 100%
m
1
gdzie: mn - masa frakcji, g; m - masa próbki węgla surowego, g,
oraz zawartość popiołu λn - we frakcji n, %.
Tablica 1. Gęstości najczęściej stosowanych cieczy cięŜkich jednorodnych
Lp.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Związek
Chlorek wapnia
Kwas siarkowy
Chlorek cynku
Ksylen
Benzen
Chloroform
Czterochlorek węgla
Bromoform
Wzór chemiczny
Maksymalna gęstość
g/cm3
CaCl2
H2SO4
ZnCl2
C8H12
C6H6
CHCl3
CCl4
CHBr3
1,654
1,840
2,070
0,862
0,879
1,499
1,604
2,894
Pola zakreskowane (na rys. 3) oznaczają zawartość popiołu λ , natomiast pola czarne
określają zawartość części palnych p . Dla poszczególnych wychodów sumy λ + p mogą nie
zamykać się wartością 100 %, gdyŜ pewne składniki substancji mineralnej w warunkach
oznaczania popiołu ulegają rozkładowi.
Konstrukcja krzywych wzbogacalności (rys. 4).
1. Wychód kaŜdej frakcji przedstawiany jest na wykresie jako prostokąt o podstawie
λ = 100% i wysokości γ n∗
2. Prostokąty dzieli się na dwie części w punktach odpowiadających procentowej
zawartości popiołu w poszczególnych frakcjach λ1...λn . Zakreskowane pola tych
prostokątów równe są odpowiednio γ 1∗ ⋅ λ1 ...γ n∗ ⋅ λn i przedstawiają ilość popiołu,
natomiast dopełnienia równe (100 − λ1 ) ⋅ γ 1∗ ...(100 − λn ) ⋅ γ n∗ odpowiadającą ilości
substancji palnej (plus ubytek masy substancji mineralnej ze spalania).
Gdyby całą próbkę podzielić na nieskończenie wielką liczbę wychodów elementarnych γ ∗
i określić w nich zawartość popiołu λ moŜna wykreślić krzywą, która dzieli prostokąt ABCD
ograniczony osiami współrzędnych oraz bokami wykreślonymi w punktach γ ∗ = 100%
i λ = 100% na dwie powierzchnie (rys. 4):
- pod krzywą określającą zawartość popiołu w próbce (węglu surowym),
- nad krzywą określającą zawartość substancji palnej +straty.
Krzywą tę nazywa się podstawową krzywą wzbogacalności węgla surowego lub teoretyczną
charakterystyką węgla surowego pod względem jego wzbogacalności.
Kształt krzywej λ bardzo jasno charakteryzuje wzbogacalność surowca. Węgiel surowy o
krzywej λ wklęsłej i ramionach zbliŜonych do równoległych do osi wychodu jest łatwo
wzbogacalny. W miarę „prostowania się” krzywej wzbogacalność ulega pogorszeniu (rys. 3).
Rys. 4. Krzywe wzbogacalności HR (Henry’ego-Reinharda) dla węgla
Rys. 5. Typy krzywych wzbogacalności
Rys. 6. Graficzne wyznaczanie średniej zawartości popiołu w wybranej frakcji i w próbce.
Za pomocą współrzędnych krzywej λ moŜna obliczyć lub wyznaczyć analitycznie
zawartość popiołu w węglu surowym. Zakładając, Ŝe zawartość popiołu we frakcji o
wychodzie dγ ∗ jest równa 0,01 ⋅ λ ⋅ dγ ∗ , to dla dowolnie wybranej frakcji (na rys. 6 pole
a1b1b2a2) będzie równa:
2
λ = 0,01 ⋅ ∫ λ dγ ∗
(3)
1
a średnia zawartość popiołu w tej frakcji wynosi:
2
µ=
∫ λ dγ
∗
1
(4)
γ 2∗ − γ 1∗
Całka (4) stanowi iloraz powierzchni a1kla2 i wysokości a1a 2 = γ 2∗ − γ 1∗ . PoniewaŜ
powierzchnia trójkąta kep jest równa powierzchni plf, stąd powierzchnia a1kla2 równa jest
powierzchni prostokąta a1efa2. Z wykresu odczytuje się, Ŝe podstawa tego prostokąta
przedstawia średnią procentową zawartość popiołu we frakcji o wychodzie γ 2∗ − γ 1∗
( a1 f = µ ).
W podobny sposób oblicza się średnią procentową zawartość popiołu w całej próbce - α
tj. dla wychodu γ 2∗ − γ 1∗ = 100 % :
100
α = 100 ⋅
0,01 ⋅ ∫ λ dγ ∗
0
γ 2∗ − γ 1∗
100
= 0,01 ⋅ ∫ λ dγ ∗
(5)
0
Współrzędne podstawowej krzywej wzbogacalności węgla surowego λ umoŜliwiają
wyliczenie współrzędnych krzywej koncentratu ϑ oraz krzywej odpadów β , a z nich
średniej zawartości popiołu w koncentracie i odpadzie dla załoŜonego wychodu koncentratu
γ ∗ (rys. 7.).
Rys. 7. Graficzne wyznaczanie średniej zawartości popiołu w koncentracie i odpadach.
(
)
Dla dowolnego wychodu koncentratu γ ∗ wychód odpadów będzie równy 100 − γ ∗ ,
stąd średnia procentowa zawartość popiołu w koncentracie wynosi:
γ∗
ϑ=
∫ λ dγ
∗
0
(6)
γ∗
zaś średnia procentowa zawartość popiołu w odpadach jest równa:
100
β=
∫ λ dγ
∗
γ∗
(7)
100 − γ ∗
Analizując rysunek 5 moŜna wykazać, Ŝe ilość popiołu w próbce węgla jest równa:
AKLD = AEFD = 100 ⋅ α
ilość popiołu w koncentracie:
AKRS = AGHS = ϑ ⋅ γ ∗
a ilość popiołu w odpadach:
SRLD = SMND = β ⋅ 100 − γ ∗
Na podstawie równań (8) do (10) moŜna zapisać równanie bilansowe popiołu:
100 ⋅ α = ϑ ⋅ γ ∗ + β ⋅ 100 − γ ∗
(
(
)
)
(8)
(9)
(10)
(11)
O opłacalności procesu wzbogacania decyduje uzysk substancji uŜytecznej, w
przypadku węgla substancji palnej, z danego surowca tj. stosunek ilości substancji palnych w
koncentracie do ilości substancji palnych w nadawie:
100 − ϑ
εk = γ ∗ ⋅
(12)
100 − α
Wielkość ε k nazywamy uzyskiem substancji palnych w koncentracie. Uzysk popiołu w
odpadach ε o stanowi stosunek ilości popiołu w odpadach do ilości popiołu w nadawie:
ε o = (100 − γ ∗ )⋅
β
α
(13)
Oprócz krzywych wzbogacalności, do określenie trudności wzbogacenia węgla
stosowane są równieŜ wskaźniki wyraŜane liczbowo, nazywane wskaźnikami trudności
wzbogacania. Wartości liczbowe tych wskaźników stanowią o wyborze metody i typu
maszyny przeróbczej. Jedna z metod określenia stopnia wzbogacalności węgla surowego
została opracowane przez B.M. Birda w formie wskaźnika trudności wzbogacania S. Wartość
wskaźnika S oblicza się w procentach dla przyjętej gęstości rozdziału na podstawie danych
odczytywanych z wykresu zaleŜności wychodu γ ∗ od gęstości ρ :
γ ∗ ⋅ (ρ + 0,01) − γ ∗ ⋅ (ρ − 0,01)
⋅100
S=
γ ∗ ⋅ 2,0
(14)
gdzie:
ρ
γ ∗ ⋅ (ρ + 0,1)
γ ∗ ⋅ (ρ − 0,1)
γ ∗ ⋅ 2,0
- przyjęta gęstość rozdziału,
- zawartość w badanym materiale frakcji o gęstości mniejszej od ρ + 0,1 ,
- zawartość w badanym materiale frakcji o gęstości mniejszej od ρ + 0,1 ,
- zawartość w badanym materiale frakcji o gęstości mniejszej od 2 g/cm3.
W zaleŜności od wartości wskaźnika S, określa się wzbogacalność badanego węgla
według klucza przedstawionego w tablicy 2.
Wzbogacanie grawitacyjne
Wzbogacanie grawitacyjne węgla – osadzanie, wzbogacanie w płuczkach
strumieniowych, na stołach koncentracyjnych, w cieczach cięŜkich, wzbogacanie powietrzne
– wykorzystuje róŜnicę cięŜarów właściwych węgla i skały płonnej, która powoduje róŜnicę
prędkości ruchu (opadania) ziaren. Wzbogacanie grawitacyjne przeprowadza się w ośrodku
wodnym lub w powietrzu.
Tablica 2. Określenie stopnia trudności wzbogacania węgli wskaźnikiem Birda
Wskaźnika
Stopień trudności
UWAGI
Birda
wzbogacania
Sposób wzbogacania
Wydajność
<7
łatwy
wszystkie sposoby wzbogacania
dobra
7 – 10
średni
osadzarki wodne i strumieniowe
dobra
10 – 15
trudny
cięŜkie
ciecze
zawiesinowe, dobra
osadzarki wodne i strumieniowe
15 – 20
bardzo trudny
cięŜkie ciecze zawiesinowe i średnia
osadzarki wodne
20 – 25
wyjątkowo trudny
cięŜkie ciecze zawiesinowe
niska
> 25
prawie
nie
do cięŜkie ciecze zawiesinowe
bardzo niska
pokonania
Wzbogacanie w wodzie polega na poddaniu surowego urobku węglowego działaniu
strumienia wody o tak dobranej prędkości przepływu lub pulsacji, aby surowy urobek ulegał
rozdzieleniu na warstwy o róŜnych cięŜarach właściwych.
Rys. 8. Płuczka Reo
Rys. 9. Płuczka Bauma
W praktyce stosuje się róŜne warianty wzbogacania w wodzie. Przykładem rozdziału w
strumieniu przepływającej wody jest płuczka Reo (rys. 8.). Płuczkę stanowi stalowe koryto z
odpowiednio usytuowanymi otworami w dnie. Surowy węgiel (nadawę) i wodę wprowadza
się od góry koryta. Pochyłość koryta powoduje, Ŝe nadawa nabiera prędkości pozwalającej na
rozdział zanieczyszczeń mineralnych i przerostów od węgla (koncentratu). Rozdział w
strumieniu wody wykorzystywany jest równieŜ w przypadku stołów koncentracyjnych, przy
czym wielkość ziaren wzbogacanego materiału nie powinna przekraczać 18 mm.
Innym typem urządzeń wykorzystującym wodę jako ciecz wzbogacającą oraz ruch
pulsacyjny są tzw. płuczki pulsacyjne. Przykładem moŜe być płuczka Bauma przedstawiona
na rysunku 9. Jest to urządzenie w kształcie litery U, w którym woda wprowadzana jest w
ruch pulsacyjny za pomocą tłoka lub spręŜonego powietrza. Ten typ osadzarek stosuje się do
stosunkowo wąskich klas ziarnowych tj. 100-0,5 mm.
Wzbogacanie w cieczach cięŜkich zawiesinowych wykorzystuje ośrodki płynne o
pośrednich gęstościach pomiędzy węglem i skałą płonną. Ciecze cięŜkie zawiesinowe
stanowią zawiesiny wodne drobno zmielonego piasku kwarcowego, barytu, magnetytu.
Charakterystykę podstawowych obciąŜników przedstawiono w tablicy 2, natomiast tablica 3
przedstawia zaleŜność pomiędzy gęstością cieczy zawiesinowej a udziałem obciąŜnika.
Stosowanie cieczy cięŜkich zawiesinowych wymaga bardzo dokładnego wypłukania
wzbogacanego węgla wodą. Ten sposób wzbogacania umoŜliwia rozdzielenie materiałów
przy róŜnicy ich gęstości 0,1 g/cm3, a nawet 0,05 g/cm3 [3].
Tablica 2. Charakterystyka najczęściej
zawiesinowych [4]
stosowanych
Lp.
ObciąŜnik
Wzór chemiczny
1.
2.
3.
Magnetyt
Baryt
Wypałki pirytowe
i markazytowe
Fe3O4
BaSO4
zmienny, głównie
tlenki Ŝelaza
obciąŜników
Gęstość obciąŜnika
g/cm3
4,9 - 5,2
4,3 - 4,7
4,5 - 5,0
cieczy
cięŜkich
Maksymalna gęstość
cieczy cięŜkiej, g/cm3
∼ 2,5
∼ 2,2
∼ 2,3
4.
5.
SiO2
Stop Fe i Si o zaw.
ok. 15-20% Si
Piasek
śelazokrzem
∼ 2,5
∼ 3,6
2,5 - 2,8
6,5 - 6,8
Tablica 3. ZaleŜność cieczy cięŜkiej od udziału objętościowego obciąŜnika [4]
Gęstość cieczy, g/cm3
Udział objętościowy magnetytu, %
1,4
1,8
2,2
10
20
30
Typowymi urządzeniami do rozdziału minerałów w cieczach cięŜkich zawiesinowych są
separatory Disa. Dzięki wysokiej wydajności jednostkowej, stosunkowo prostej konstrukcji,
moŜliwości wzbogacania szerokich klas ziarnowych, stały się typowymi urządzeniami w
liniach technologicznych wzbogacania węgla w cieczach zawiesinowych.
Na rys. 10 przedstawiono ogólną zasadę pracy separatora Disa 1. Ciecz cięŜką podaje się
do skrzyni roboczej (1) rurociągami (2) i (3). Nadawa podawana do separatora rozdziela się
na dwa produkty. Produkt lekki (węgiel wzbogacony), unoszony płynącym strumieniem
cieczy, opuszcza urządzenie przelewem, przy czym odbiór tego produktu przyspiesza
wygarnik łopatkowy (4), zabudowany przed progiem przelewowym. Produkt cięŜki
(przerosty) wynoszony jest kołem łopatkowym (5), zabudowanym w płaszczyźnie
prostopadłej do osi skrzyni. Wyniesiony ku górze produkt cięŜki wyładowuje się do zsuwni
roboczej (6) umieszczonej obok koryta roboczego (7). Ściany koryta roboczego sięgają aŜ do
koła łopatkowego w celu uniemoŜliwienia przedostawania się drobnych ziaren produktu
poniŜej zewnętrznego obwodu i do dolnej części skrzyni separatora. W separatorze tym
koryto robocze jest zawęŜone ze względu na konieczność umieszczenia obok niego zsuwni do
odbioru produktu cięŜkiego. Kolejne modyfikacje urządzenia pozwoliły na rozszerzenie
koryta roboczego poprzez umieszczenie zsuwni do odbioru produktu cięŜkiego w
najwyŜszym punkcie wewnętrznego obwodu koła łopatkowego. Połączenie dwóch
wzbogacalników dwuproduktowych daje moŜliwość realizację procesu z otrzymywaniem
produktu pośredniego.
Rys. 10. Separator stały łopatkowy Disa 1.
Flotacja
W procesie flotacji wykorzystuje się róŜnicę zwilŜalności wodą węgla i skały płonnej.
Kąt zwilŜania (kąt brzegowy) – kąt Θ między zwilŜaną
powierzchnią ciała stałego a powierzchnią cieczy w
punkcie zetknięcia z tym ciałem. Kąt zwilŜania jest
parametrem charakteryzującym zjawisko zwilŜania. Na
granicy trzech faz – ciecz, gaz, faza stała – działają trzy
siły napięcia powierzchniowego, które w stanie równowagi
znoszą się. Miarą zwilŜania jest wartość:
(σ − σ 1,3 )
cos Θ = 2,3
σ 1, 2
gdzie σ - napięcia powierzchniowe na powierzchniach
granicznych (napięcie powierzchniowe jest to praca potrzebna do utworzenia jednostkowej
powierzchni rozdziału fazy skondensowanej i fazy gazowej. Napięcie powierzchniowe
pojawia się, gdy oddziaływanie cząsteczek cieczy znajdujących się na powierzchni z
cząsteczkami we wnętrzu cieczy nie jest równowaŜone przez oddziaływanie z cząsteczkami
gazu. W wyniku powstaje wypadkowa siła skierowana do wnętrza cieczy i prostopadła do
powierzchni granicznej. Jednostka napięcia powierzchniowego jest 1 J/m2. Napięcie
powierzchniowe moŜe być teŜ definiowane jako siła działająca na jednostkę długości obwodu
powierzchni rozdziału faz, wówczas jednostką jest 1 N/m).
Jeśli σ 2,3 = σ 1,3 to Θ =
π
2
wtedy powierzchnia cieczy jest płaska
Jeśli σ 2,3 > σ 1,3 to Θ <
π
ciecz zwilŜa ciało – menisk wklęsły
2
ZwilŜalność ciała stałego cieczą określić teŜ moŜna jako stosunek pracy adhezji tej cieczy
i ciała stałego do pracy kohezji cieczy. Przez adhezję rozumieć naleŜy oddziaływanie między
cząsteczkami dwu faz, przez kohezję oddziaływanie pomiędzy cząsteczkami tej samej fazy.
Ciało stałe jest hydrofilne, czyli dobrze zwilŜalne przez wodę jeŜeli praca adhezji jest większa
od pracy kohezji ( Wa ≥ Wk ). Pomiędzy cząsteczkami wody a powierzchnią ciała stałego mogą
występować róŜne oddziaływania – sił dyspersji (van der Waalsa), wiązań wodorowych
i oddziaływań o charakterze elektrostatycznym ( Wa = Wad + Wah + Wai ). W przyrodzie
występuje kilka minerałów charakteryzujących się wysoką naturalną hydrofobowością.
Cechuje je równieŜ tzw. naturalna flotowalność (grafit, siarka rodzima, talk i molibdenit)
(Poradnik Górnika 5/410).
Węgiel kamienny wskutek małej polarności powierzchni wykazuje duŜą naturalną
zdolność flotacyjną. W celu zwiększenia szybkości flotacji i jej selektywności do wodnej
zawiesiny drobno uziarnionego materiału węglowego (tzw. mętów flotacyjnych) dodaje się
odczynniki zwiększające apolarność powierzchni węgla - zbieracze (kolektory) lub
odczynniki pianotwórcze.
Selektywność procesu flotacji pianowej reguluje się przez dodatek odpowiednich
związków chemicznych, które ogólnie nazwano odczynnikami flotacyjnymi. W zaleŜności od
funkcji spełnianej w procesie flotacji moŜna wyróŜnić:
- Odczynniki zbierające (zbieracze, kolektory), wśród których wyróŜniamy zbieracze
jonowe (anionowe, kationowe, amfoteryczne) i niejonowe (apolarne). Odczynniki te po
wprowadzeniu do zawiesiny flotacyjnej adsorbują się wybiórczo (selektywnie) na
powierzchni ziarn tylko wybranych minerałów, hydrofobizując ich powierzchnię i w
efekcie umoŜliwiają ich skuteczne wyniesienie do piany (wyflotowanie). Wybór rodzaju i
typu odczynnika zaleŜy od rodzaju i charakteru chemicznego powierzchni minerału. W
zaleŜności od warunków fizykochemicznych i rodzaju odczynnika zbieracze mogą
adsorbować się na minerale drogą adsorpcji fizycznej lub chemicznej.
- Odczynniki pianotwórcze inaczej spieniacze są to związki organiczne, które adsorbują się
na granicy rozdziału ciecz-gaz, na ogól obniŜają napięcie powierzchniowe na granicy faz
woda-powietrze i umoŜliwiają tworzenie się odpowiednio trwałej i obfitej piany. Z pianą
wynoszone są flotujące minerały i mogą być zgarniane z powierzchni zawiesiny jako
produkt (koncentrat) pianowy.
- Odczynniki modyfikujące (odczynniki regulujące, modyfikatory) stanowią obszerną
grupę odczynników przewaŜnie nieorganicznych, które najogólniej rzecz biorąc, mają za
zadanie regulację działania zbieraczy w kierunku polepszenia skuteczności i
selektywności flotacji. WyróŜniamy tu np. aktywatory, depresory i regulatory pH.
(depresory słuŜą do zwiększania stopnia zwilŜalności ziarn, które z natury są trudno
zwilŜalne, a więc łatwo flotujące. Aktywatory uŜywane są do przywrócenia właściwości
flotujących ziarnom. które utraciły ją pod wpływem działania depresorów).
Dodatek odczynników flotacyjnych wynosi 0,5 do 2 kg/Mg nadawy, zaś zagęszczenie nadawy
wynosi 0,1 do 0,3 kg/dm3.
Proces flotacji węgla jest operacją nie sprawiającą zwykle większych trudności. Flotacji
poddaje się muł o uziarnieniu poniŜej 0,5 mm. Nadawę stanowi wylew z osadników lub
wprost woda obiegowa z płuczki o odpowiedniej zawartości części stałych.
Operacji flotacji dokonuje się w urządzeniach zwanych flotownikami lub często
maszynami flotacyjnymi. Maszyna flotacyjna zbudowana jest z komory (zbiornika), do której
wprowadza się zawiesinę i wirnika lub aeratora zanurzonych w zawiesinie. Czynnikiem
roboczym we flotacji są pęcherzyki powietrza wprowadzanego do wypełniającej komorę
flotacyjną wodnej zawiesiny drobno zmielonej rudy. Powietrze jest wprowadzane ponad
dnem komory i dyspergowane (rozpraszane) na drobne pęcherzyki, które unosząc się do góry,
zderzają się na swej drodze z ziarnami mineralnymi. Ziarna, które zdołały przyczepić się do
pęcherzyków (mogą to być tylko ziarna hydrofobowe), tworzą z pęcherzykiem agregat lŜejszy
od wody i wypływają wraz z nimi na powierzchnię. Gromadzące się na powierzchni
zawiesiny pęcherzyki wraz z cząstkami mineralnymi przyczepionymi do nich, tworzą tzw.
pianę flotacyjną, która zwykle w sposób mechaniczny jest zgarniana do rynien (lub koryt)
odprowadzających ją do dalszej przeróbki. W celu utrzymania ziaren w stanie rozproszonym
w zawiesinie i dyspergowania doprowadzanego do niej powietrza, miesza się ją bądź
mechanicznie specjalnej konstrukcji mieszadłem wirnikowym (wirnik maszyny flotacyjnej),
bądź samym przepływem powietrza. Powietrze jest wprowadzane do zawiesiny pod
ciśnieniem bądź zasysane przez odpowiedniej konstrukcji wirnik tzw. samozasysający.
Dyspergowania zassanego powietrza dokonuje obracający się wirnik (maszyny agitacyjnemechaniczne), natomiast gdy powietrze wprowadzane jest pod ciśnieniem, to moŜe być
dyspergowane bądź przepływając przez porowatą przegrodę tzw. aeratora (maszyny
pneumatyczne) bądź mechanicznie wskutek ruchu wirnika (maszyny mechanicznopneumatyczne) [5].
Jednym z waŜnych problemów przy flotacji węgla jest zagadnienie odwadniania
koncentratu pianowego. Zdolność odwadniania koncentratu moŜna podwyŜszyć przez
dodatek alkalicznego roztworu ksantogenianu. Koncentrat po flotacji zawiera 15-25 %
wilgoci, a poŜądane jest odwodnienie do poziomu 3-8 %. W procesach odwadniania
koncentratu stosowane są wirówki, prasy filtracyjne i filtry próŜniowe.
Flotacja węgla gazowego i koksowego róŜnymi odczynnikami.
Koncentrat
Typ węgla
Odczynniki
wychód
zawartość
Odpady
%
popiołu, %
wychód
%
zawartość
popiołu, %
Koksowy
olej średnio lekki 2,5 kg/Mg
71,7
4,5
28,3
63,9
Gazowy
olej średnio lekki 2,5 kg/Mg
38,9
3,9
61,1
23,2
Gazowy
nafta 2,0 kg/Mg, alkohol
nonylowy 0,62 kg/Mg
79,1
4,1
20,9
62,1
WyróŜnia się trzy rodzaje flotacji:
a) flotacja powierzchniowa polegająca na zbieraniu z powierzchni wody trudno zwilŜalnych
ziaren węgla,
b) flotacja olejowa wykorzystująca oleje jako czynnik powiększający róŜnicę zwilŜalności,
c) flotacja pianowa wykorzystująca selektywne przyczepianie się pęcherzyków powietrza do
trudno zwilŜalnych ziaren węgla, wynoszenie ich na powierzchnię w formie piany;
rozdział węgla od skały płonnej uzyskuje się przez usuwanie piany.
Literatura
1 Roga B., Tomków K., Chemiczna technologia węgla, WN-T, Warszawa 1971.
2 Laskowski T., Błaszczyński S., Ślusarek M, Wzbogacanie kopalin w cieczach cięŜkich, Wyd. Śląsk, Katowice
1979.
3 Wasilewski P., Kobel-Najzarek E., Chemia i technologia chemiczna węgla kamiennego, Skrypt Pol. Śl. nr 821,
Gliwice 1980.
4 Nawrocki J., Świerkot-Kopała A., Wzbogacalniki z cieczą zawiesinową oraz metody oceny ich pracy, Skrypt
Pol. Śl. nr 1620, Gliwice 1992.
5 Łuszczkiewicz A., Flotacja, materiały dydaktyczne Politechniki rocławskiej